JP5549656B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents
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Description
(1)内燃機関の排気通路内に配置され、Cu、Fe、Ni、Mn及びそれらの組み合わせからなる群より選択される第1の触媒金属を触媒担体に担持してなるNOx浄化触媒と、
前記NOx浄化触媒の下流側排気通路内に配置され、卑金属を含む第2の触媒金属を触媒担体に担持してなる酸化触媒と、
前記NOx浄化触媒の下流側排気通路に設けられ、前記酸化触媒上流の排気ガスに空気を導入するための空気導入手段と、
前記酸化触媒の温度を検出するための触媒温度検出手段と
を備え、前記触媒温度検出手段によって検出される前記酸化触媒の温度が所定の温度以下である場合には、前記空気導入手段から導入される空気の量を調節することによって前記酸化触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリーンな空燃比に制御し、前記触媒温度検出手段によって検出される前記酸化触媒の温度が所定の温度を超えた場合には、前記空気導入手段から導入される空気の量を調節することによって前記酸化触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比に制御するようにした、内燃機関の排気浄化装置。
(2)前記卑金属が、Cu、Fe、Ni、Cr、Ce、Co、Mg、Zn及びそれらの組み合わせからなる群より選択される、上記(1)に記載の内燃機関の排気浄化装置。
(3)前記卑金属がCu、Fe及びそれらの組み合わせからなる群より選択される、上記(2)に記載の内燃機関の排気浄化装置。
(4)前記酸化触媒が排ガス上流側の前段部分と排ガス下流側の後段部分からなり、前記第2の触媒金属がPt、Pd及びAgの少なくとも1種をさらに含み、前記卑金属が前記前段部分と前記後段部分の両方に担持され、かつPt、Pd及びAgの少なくとも1種が前記後段部分にのみ担持された、上記(1)〜(3)のいずれか1つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
(5)前記第2の触媒金属が担持される触媒担体が、アルミナ、ゼオライト、チタニア及びそれらの組み合わせからなる群より選択される、上記(1)〜(4)のいずれか1つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
(6)前記第1の触媒金属がCuである、上記(1)〜(5)のいずれか1つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
(7)前記酸化触媒の下流側排気通路内に配置された酸素センサ又は空燃比センサをさらに備え、該酸素センサ又は空燃比センサの出力値に基づいて、前記空気導入手段から導入される空気の量を調節することによって前記酸化触媒に流入する排気ガスの空燃比を制御するようにした、上記(1)〜(6)のいずれか1つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
(8)前記所定の温度が350℃である、上記(1)〜(7)のいずれか1つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
(9)前記NOx浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチな空燃比である、上記(1)〜(8)のいずれか1つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
(10)前記NOx浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比が、理論空燃比よりもリッチな空燃比と理論空燃比よりもリーンな空燃比の間で交互に切り換えられる、上記(1)〜(8)のいずれか1つに記載の内燃機関の排気浄化装置。
本実験では、本発明による排気浄化装置において使用される酸化触媒の触媒成分について、以下のとおり検討した。
まず、蒸留水500mLに触媒担体として所定量のゼオライト粉末(SAPO:三菱樹脂製)を添加して攪拌し、次いで、これに硝酸銅を溶解した水溶液を最終的に得られる酸化触媒のCu担持量が2wt%となるような量において添加し、次いで50℃で8時間攪拌してイオン交換した。次に、得られた溶液を濾過及び洗浄し、乾燥器において120℃で12時間乾燥した後、得られた粉末を空気中500℃で2時間焼成することにより、Cu担持ゼオライト粉末を得た。
硝酸銅の代わりに硫酸鉄、及びゼオライト粉末として三菱樹脂製のSAPOではなく東ソー製のBEAを使用したこと以外は酸化触媒Aの調製方法と同様にして、触媒成分としてFeを含む酸化触媒B(Fe担持量2wt%)を得た。
アルミナ粉末の代わりにAg担持アルミナ粉末を使用したこと以外は、酸化触媒Bの調製方法と同様にして、触媒成分としてAg及びFeを含む酸化触媒C(Ag担持量1wt%、Fe担持量2wt%)を得た。
アルミナ粉末の代わりにPt担持アルミナ粉末を使用したこと以外は、酸化触媒Bの調製方法と同様にして、触媒成分としてPt及びFeを含む酸化触媒D(Pt担持量1wt%、Fe担持量2wt%)を得た。
次に、酸化触媒A〜DについてそれらのNH3浄化能を評価した。具体的には、固定床流通式反応装置(日本ケミカル製)を用いて酸化触媒A〜Dの各酸化触媒に下表1に示す評価用モデルガスを15L/分(空間速度SV=25714/h)の流量で導入し、そして当該評価用モデルガス中のO2濃度を0%、0.06%、0.5%、1.0%及び5.0%にそれぞれ変化させた場合の465℃及び310℃の各温度におけるNH3からN2への転化率(%)を測定した。なお、NH3からN2への転化率(%)は以下の計算式により算出した。その結果を図3に示す。
転化率(%)=(流入NH3量−未反応NH3量−NO生成量−NO2生成量−2×N2O生成量)×100÷(流入NH3量)
なお、触媒出口側の未反応NH3量、NO生成量、NO2生成量及びN2O生成量についてはFT−IR分析計(HORIBA製6000FT)を用いて測定し、一方で、評価用モデルガス中のO2濃度を別の分析計(HORIBA製7100H)によって測定した。
NOx浄化触媒については、すべての実施例及び比較例において以下の同じ触媒を使用した。まず、アルミナ粉末(サソール社製)137部とアルミナバインダー(日産化学工業(株)製:AS200)13部を混合し、水を加えてコート用スラリーを調製した。次いで、得られたスラリーをウォッシュコート法によりセラミック基材(日本ガイシ製、セル形状:四角、壁厚:4ミル、セル数:400セル/平方インチ)に150g/基材−L(基材1リットル当たり)の量でコートした。次いで、所定量の水に硝酸銅(II)三水和物をCuが0.118mol/基材−Lの担持量(Cuメタル換算で5wt%の担持量に相当)となるような量において溶解した溶液を上記のセラミック基材に吸水させた後、これをマイクロ波乾燥器において120℃通風中で20分間乾燥させた。最後に、電気炉において250℃で2時間焼成して硝酸塩を分解除去し、触媒成分としてCuを含むNOx浄化触媒(Cu担持量5wt%)を得た。
[Cuを含む酸化触媒の調製]
まず、蒸留水500mLに触媒担体として所定量のゼオライト粉末(SAPO:三菱樹脂製)を添加して攪拌し、次いで、これに硝酸銅を溶解した水溶液を最終的に得られる酸化触媒のCu担持量が2wt%となるような量において添加し、次いで50℃で8時間攪拌してイオン交換した。次に、得られた溶液を濾過及び洗浄し、乾燥器において120℃で12時間乾燥した後、得られた粉末を空気中500℃で2時間焼成することにより、Cu担持ゼオライト粉末を得た。
[前段及び後段部分にCu並びに後段部分にPtを含む酸化触媒の調製]
まず、実施例1で得られたのと同じCu担持ゼオライト粉末167部を、Pt担持アルミナ粉末20部及びアルミナバインダー(日産化学工業(株)製:AS200)13部と混合し、水を加えてコート用スラリーを調製した(スラリー2)。次いで、実施例1において調製したスラリー1をウォッシュコート法によりセラミック基材(日本ガイシ製、セル形状:四角、壁厚:4ミル、セル数:400セル/平方インチ)の排ガス上流側の前段部分にセラミック基材の全長に対して50%の幅で200g/基材−Lの量においてコートした。次いで、先に調製したスラリー2を同様にしてセラミック基材の排ガス下流側の後段部分にセラミック基材の全長に対して50%の幅で200g/基材−Lの量においてコートした。最後に、得られたセラミック基材を電気炉において500℃で2時間焼成して、触媒成分として前段及び後段部分にCu並びに後段部分にPtを含む酸化触媒(Cu担持量2wt%、Pt担持量0.5wt%)を得た。
[前段及び後段部分にFe並びに後段部分にPtを含む酸化触媒の調製]
硝酸銅の代わりに硫酸鉄、及びゼオライト粉末として三菱樹脂製のSAPOではなく東ソー製のBEAを使用したこと以外は実施例2と同様にして、触媒成分として前段及び後段部分にFe並びに後段部分にPtを含む酸化触媒(Cu担持量2wt%、Pt担持量0.5wt%)を得た。
[前段及び後段部分にCu並びに前段部分にPtを含む酸化触媒の調製]
スラリー1をセラミック基材の後段部分にそしてスラリー2をセラミック基材の前段部分にコートしたこと以外は実施例2と同様にして、触媒成分として前段及び後段部分にCu並びに前段部分にPtを含む酸化触媒(Cu担持量2wt%、Pt担持量0.5wt%)を得た。
比較例2では、実施例2と同じ酸化触媒を使用した。
上で調製したNOx浄化触媒と、実施例1〜3並びに比較例1及び2で調製した各酸化触媒とを実際のエンジン(排気量:2400cc)の排気系に図1に示すように装着し、次いでエンジンの回転数を1200rpm(酸化触媒の入りガス温度306℃に相当)と1600rpm(酸化触媒の入りガス温度409℃に相当)の間で変化させた場合の排気ガス中に含まれるNH3の浄化について調べた。なお、本実験では、上流側のNOx浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比はA/F=14.0とA/F=14.8の間で0.3秒ごとに交互に切り換えた。そして、下流側の酸化触媒に流入する排気ガスの空燃比は、実施例1〜3及び比較例1については図2のフローチャートに従ってT0=350℃としてストイキ近傍とリーン空燃比の間で制御し、比較例2については温度による空燃比の切り換えは行わずに常時リーン空燃比に制御した。なお、実施例1〜3並びに比較例1及び2の各酸化触媒に関する空燃比制御の条件及び触媒構成を下表2にまとめる。
11、13、17 排気通路
12 NOx浄化触媒
14 酸化触媒
15 ポンプ(空気導入手段)
16 温度センサ(触媒温度検出手段)
18 電子制御ユニット
Claims (10)
- 内燃機関の排気通路内に配置され、Cu、Fe、Ni、Mn及びそれらの組み合わせからなる群より選択される第1の触媒金属を触媒担体に担持してなるNOx浄化触媒と、
前記NOx浄化触媒の下流側排気通路内に配置され、卑金属を含む第2の触媒金属を触媒担体に担持してなる酸化触媒と、
前記NOx浄化触媒の下流側排気通路に設けられ、前記酸化触媒上流の排気ガスに空気を導入するための空気導入手段と、
前記酸化触媒の温度を検出するための触媒温度検出手段と
を備え、前記触媒温度検出手段によって検出される前記酸化触媒の温度が所定の温度以下である場合には、前記空気導入手段から導入される空気の量を調節することによって前記酸化触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比よりもリーンな空燃比に制御し、前記触媒温度検出手段によって検出される前記酸化触媒の温度が所定の温度を超えた場合には、前記空気導入手段から導入される空気の量を調節することによって前記酸化触媒に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比に制御するようにした、内燃機関の排気浄化装置。 - 前記卑金属が、Cu、Fe、Ni、Cr、Ce、Co、Mg、Zn及びそれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項1に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記卑金属がCu、Fe及びそれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項2に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記酸化触媒が排ガス上流側の前段部分と排ガス下流側の後段部分からなり、前記第2の触媒金属がPt、Pd及びAgの少なくとも1種をさらに含み、前記卑金属が前記前段部分と前記後段部分の両方に担持され、かつPt、Pd及びAgの少なくとも1種が前記後段部分にのみ担持された、請求項1〜3のいずれか1項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記第2の触媒金属が担持される触媒担体が、アルミナ、ゼオライト、チタニア及びそれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項1〜4のいずれか1項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記第1の触媒金属がCuである、請求項1〜5のいずれか1項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記酸化触媒の下流側排気通路内に配置された酸素センサ又は空燃比センサをさらに備え、該酸素センサ又は空燃比センサの出力値に基づいて、前記空気導入手段から導入される空気の量を調節することによって前記酸化触媒に流入する排気ガスの空燃比を制御するようにした、請求項1〜6のいずれか1項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記所定の温度が350℃である、請求項1〜7のいずれか1項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記NOx浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチな空燃比である、請求項1〜8のいずれか1項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
- 前記NOx浄化触媒に流入する排気ガスの空燃比が、理論空燃比よりもリッチな空燃比と理論空燃比よりもリーンな空燃比の間で交互に切り換えられる、請求項1〜8のいずれか1項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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